DE19927325B4 - Stigmatic Toroidal Mirror Plangitter Monochromator - Google Patents

Stigmatic Toroidal Mirror Plangitter Monochromator Download PDF

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Abstract

Ein Monochromator für elektromagnetische Strahlung, der für alle Wellenlängen in seinem Bereich die ortsfeste Eintrittsblende stigmatisch auf die ortsfeste Austrittsblende abbildet, wobei er als optisch aktive Elemente ein ebenes Reflexionsgitter mit Blaze, einen Rotationsellipsoidspiegel oder einen den Rotationsellipsoidspiegel optimal annähernden Toroidspiegel sowie alternativ einen zusätzlichen Planspiegel enthält, die auf den Mittelpunkten der optisch aktiven Elemente errichteten Oberflächennormalen ebenso in der Meridionalebene liegen wie die Rotationsachse des Ellipsoidspiegels und die ortsfesten Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbündels, welche die Mittelpunkte der Eintritts- bzw. Austrittsblende enthalten, und die Striche des Reflexionsgitters senkrecht auf dieser Meridionalebene stehen, die stigmatische Abbildung durch die Kompensation des bei nichtparalleler Beleuchtung am Reflexionsgitter entstehenden Astigmatismus mit dem für den Einfallswinkel τ ≠ τ0 = arccos[(ϱ1/ϱ2)1/2] vom Toroidspiegel erzeugten Astigmatismus erreicht wird und dabei ϱ2 > ϱ1 die beiden Radien des Toroidspiegels angeben, die geometrischen Bedingungen, die Gittergleichung sowie die geforderte Astigmatismuskompensation ein System von gekoppelten nichtlinearen Gleichungen ergeben, dessen Lösung die im allgemeinen von der Wellenlänge abhängigen Koordinaten der Mittelpunkte der aktiven optischen Elemente sowie die im allgemeinen ebenfalls wellenlängenabhängigen Winkelkoordinaten der in diesen Mittelpunkten errichteten Oberflächennormalen liefert, die Gittergleichung mλ = 2dcos(φ)sin(ε) lautet und dabei m > 0 für die Beugungsordnung, λ für die Wellenlänge, d für die Gitterkonstante sowie φ ± ε für den Einfalls- bzw. Ausfallswinkel bezüglich der Gitternormalen stehen, der Astigmatismus des Reflexionsgitters durch die Beziehung |r/R| [cos(φ ± ε)/cos(φ ∓ ε]2 gegeben ist, das obere bzw. untere Vorzeichen dabei für konvergente bzw. divergente Beleuchtung des Gitters gilt, |r| der Abstand des virtuellen meridionalen Fokus vom Gittermittelpunkt und R der entsprechende Abstand des reellen meridionalen Fokus ist, der Astigmatismus des Toroidspiegels durch die Gleichungen für die meridionale Abbildung 2/α = 1/gw + 1/bm mit ϱ2 = α2/b und b/α = cosτ sowie für die sagittale Abbildung 2cosτ/ϱ1 = 1/gw + 1/bs beschrieben wird und dabei g Gegenstandsweite bezeichnet und die Bildweiten bm und bs Abstand der meridionalen und sagittalen Bildpunkte auf der Achse des Strahlenbündels vom Mittelpunkt des Toroidspiegels angeben und für ε = Blazewinkel das aus der Gittergleichung errechnete Produkt mλ in den Bereich des Monochromators fällt.A monochromator for electromagnetic radiation, which stigmatically images the stationary entrance aperture for all wavelengths in its range to the stationary exit aperture, wherein it contains as optically active elements a planar reflection grating with blaze, an ellipsoidal mirror or an ellipsoid mirror optimally approximating toroidal mirror and alternatively an additional plane mirror , the surface normals erected on the centers of the optically active elements are also in the meridional plane as the axis of rotation of the ellipsoidal mirror and the stationary axes of the incident and outgoing beams containing the centers of the entrance or exit aperture and the lines of the reflection grating perpendicular to In this meridional plane, the stigmatic image is due to the compensation of the astigmatism arising in the case of non-parallel illumination at the reflection grating with that for the angle of incidence ≠ τ0 = arccos [(ρ1 / ρ2) 1/2] astigmatism generated by the toroidal mirror, where ρ2> ρ1 indicates the two radii of the toroidal mirror, the geometric conditions, the lattice equation and the required astigmatism compensation result in a system of coupled nonlinear equations, whose solution gives the generally wavelength-dependent coordinates of the centers of the active optical elements as well as the generally wavelength-dependent angular coordinates of the surface normals set up at these centers, the grid equation mλ = 2dcos (φ) sin (ε) and m> 0 for the diffraction order, λ for the wavelength, d for the lattice constant and φ ± ε for the incidence or angle of reflection with respect to the lattice normal, the astigmatism of the reflection lattice through the relation | r / R | [cos (φ ± ε) / cos (φ ∓ ε] 2), the upper or lower sign applies to convergent or divergent illumination of the grating, | r | the distance of the virtual meridional focus from the grating center, and R the corresponding one Distance of the real meridional focus is the astigmatism of the toroidal mirror by the equations for the meridional mapping 2 / α = 1 / gw + 1 / bm with ρ2 = α2 / b and b / α = cosτ and for the sagittal mapping 2cosτ / ρ1 = 1 / gw + 1 / bs, where g denotes object distance and the image widths bm and bs indicate the distance of the meridional and sagittal pixels on the axis of the beam from the center of the toroidal mirror and for ε = blaze angle the product mλ calculated in the grid equation Area of the monochromator falls.

Description

Das Reflexionsvermögen der für Spiegel und Reflexionsgitter benutzten Materialien hat im Bereich des Vakuum-Ultravioletts (VUV) für Einfallswinkel zwischen 0° und ca. 60° typischerweise Werte zwischen 0,05 und 0,5. In VUV-Monochromatoren werden deshalb häufig Reflexionsgitter mit kugel- oder toroidförmigen Oberflächen verwendet, welche die dispergierenden und abbildenden Eigenschaften in einem optischen Element vereinen und so die bei mehrfacher Reflexion auftretenden hohen Intensitätsverluste vermeiden. Bei dem bekannten Seya-Namioka-Monochromator, der ein Rowland-Gitter mit kugelförmiger Oberfläche benutzt, tritt allerdings starker Astigmatismus auf, welcher die Auflösung begrenzt und zu Intensitätsverlusten führt.The reflectivity of the materials used for mirrors and reflection grids typically ranges between 0.05 and 0.5 in the vacuum ultraviolet (VUV) range for angles of incidence between 0 ° and about 60 °. Reflection gratings with spherical or toroidal surfaces are therefore frequently used in VUV monochromators, which combine the dispersing and imaging properties in an optical element and thus avoid the high intensity losses occurring with multiple reflection. In the known Seya Namioka monochromator, which uses a Rowland grating with a spherical surface, however, strong astigmatism occurs, which limits the resolution and leads to intensity losses.

Ein Beispiel für einen VUV-Plangitter-Monochromator, der bei nahezu streifender Inzidenz und damit geringen Reflexionsverlusten arbeitet, hat H. Petersen in der am 20.01.1983 veröffentlichten Patentschrift DE 3045931 C2 angegeben. Das Gerät arbeitet mit ortsfesten Eintritts- und Austrittsblenden und erzeugt an der Austrittsblende einen meridionalen Fokus. Der Einfallswinkel auf dem zur Abbildung verwendeten Rotationsellipsoidspiegel ist der für die stigmatische Abbildung des einen Brennpunktes in den anderen erforderliche Sollwinkel; der durch die nichtparallele Beleuchtung des Gitters verursachte Astigmatismus wird damit nicht kompensiert, der sagittale Fokus liegt deshalb weit hinter der Austrittsblende. Ein weiterer Schwachpunkt dieses Monochromators ist der Ellipsoidspiegel, dessen Mittelpunkt weit vom Scheitelkreis des Rototionsellipsoids entfernt ist. Solche Oberflächen sind nur schwer mit der erforderlichen Genauigkeit herzustellen, sie lassen sich außerdem nur in sehr grober Näherung durch die erheblich leichter zu fertigenden toroidalen Oberflächen ersetzen.An example of a VUV plangitter monochromator, which works at almost grazing incidence and thus low reflection losses, has H. Petersen in the published on 20.01.1983 patent DE 3045931 C2 specified. The device works with fixed entrance and exit apertures and creates a meridional focus at the exit aperture. The angle of incidence on the ellipsoidal mirror used for imaging is the required angle for the stigmatic mapping of one focal point into the other; the astigmatism caused by the non-parallel illumination of the grid is thus not compensated, the sagittal focus is therefore far behind the exit aperture. Another weak point of this monochromator is the ellipsoidal mirror whose center is far from the apex of the rototional ellipsoid. Such surfaces are difficult to produce with the required accuracy and, moreover, can only be replaced to a very rough approximation by the toroidal surfaces, which are much easier to manufacture.

Im Gegensatz zum Petersen-Monochromator bildet der in Anspruch 1 vorgestellte Monochromator die ortsfeste Eintrittsblende für alle Wellenlängen in seinem Bereich stigmatisch auf die ortsfeste Austrittsblende ab, außerdem kann der Rotationsellipsoidspiegel näherungsweise durch einen erheblich leichter herstellbaren Toroidspiegel ersetzt werden. Die durch diese Näherung verursachten Fehler werden minimal, wenn gemäß Anspruch 2 der Mittelpunkt des Toroidspiegels auf dem Scheitelkreis des durch ihn angenäherten Rotationsellipsoids liegt; die Verwendung eines dort sehr viel leichter mit hoher Genauigkeit herstellbaren Rotationselliosoids ist ebenso möglich.In contrast to the Petersen monochromator, the monochromator presented in claim 1 forms the stationary entrance aperture for all wavelengths in its range stigmatic on the fixed exit aperture, also the ellipsoidal mirror can be approximately replaced by a much easier to produce toroidal mirror. The errors caused by this approximation become minimal when according to claim 2, the center of the toroidal mirror lies on the vertex circle of the rotational ellipsoid approximated by it; it is also possible to use a rotary luminescence which is much easier to manufacture with high accuracy.

Zur Astigmatismuskompensation wird, als Einfallswinkel auf dem Toroidspiegel gerade nicht der Sollwinkel τ0 = arccos[(ϱ1/ϱ2)1/2] gewählt, welcher für den im Anspruch 2 vorgestellten Fall die stigmatische 1:1 Abbildung der Brennpunkte durch das Rotationsellipsoid bewirkt, dessen Halbachsen α0 und b0 über ϱ1 = b0 und ϱ2 = α0 2/b0 mit den Radien ϱ2 > ϱ1, des Toroids verknüpft sind. Für einen Einfallswinkel τ ≠ τ0 wird die meridionale Abbildung von der in der Meridionalebene liegenden Ellipse mit den Halbachsen α und b bestimmt, die durch ϱ2 = α2/b und cos(τ) = b/α festgelegt sind, während für die sagittale Abbildung nach wie vor der Radius ϱ1 = b0 maßgebend ist. Der damit für τ ≠ τ0 vom Toroidspiegel erzeugte Astigmatismus wird gemäß Anspruch 1 gerade so gewählt, daß er den am Reflexionsgitter entstehenden Astigmatismus für alle Wellenlängen innerhalb des Wellenlängenbereichs des Monochromators kompensiert. Der Astigmatismus des Gitters ist durch die Beziehung |r/R| = [cos(ϕ ± ε)/cos(ϕ ∓ ε)]2 gegeben, wobei das obere bzw. untere Vorzeichen für konvergente bzw. divergente Beleuchtung des Gitters gilt und |r| der Abstand des virtuellen meridionalen Fokus vom Gittermittelpunkt ist, R der entsprechende Abstand des reellen meridionalen Fokus.For astigmatism compensation, as the angle of incidence on the toroidal mirror just not the target angle τ 0 = arccos [(ρ 1 / ρ 2 ) 1/2 ] is selected, which for the presented in claim 2 case, the stigmatic 1: 1 imaging of the focal points by the ellipsoid of revolution whose half-axes α 0 and b 0 are linked via ρ 1 = b 0 and ρ 2 = α 0 2 / b 0 to the radii ρ 2 > ρ 1 , of the toroid. For an angle of incidence τ ≠ τ 0 , the meridional mapping of the ellipse lying in the meridional plane with the semiaxes α and b is determined, which are defined by ρ 2 = α 2 / b and cos (τ) = b / α, while for the sagittal image as before the radius ρ 1 = b 0 is decisive. The astigmatism thus generated by the toroidal mirror for τ ≠ τ 0 is chosen according to claim 1 just so that it compensates the astigmatism arising at the reflection grating for all wavelengths within the wavelength range of the monochromator. The astigmatism of the lattice is defined by the relation | r / R | = [cos (φ ± ε) / cos (φ ∓ ε)] 2 , where the upper or lower sign applies to convergent or divergent illumination of the grating and | r | the distance of the virtual meridional focus from the grid center is, R the corresponding distance of the real meridional focus.

Der Anspruch 3 betrifft eine für die Fertigung und die Anwendung bedeutsame näherungsweise Verwirklichung der erfindungsgemäß erforderlichen Bewegung der optischen Elemente. In Anspruch 4 wird ein Beispiel für einen Monochromator nach Anspruch 1 vorgestellt, der nur den Toroidspiegel und das Reflexionsgitter als optisch aktive Komponenten enthält, und dieser Monochromator wird in Anspruch 5 so modifiziert, daß durch Hinzunahme eines ortsfesten Planspiegels die Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbündels zusammenfallen.The claim 3 relates to an important for the manufacture and the application approximately realization of the invention required movement of the optical elements. In claim 4, an example of a monochromator according to claim 1 is presented, which contains only the toroidal mirror and the reflection grating as optically active components, and this monochromator is modified in claim 5 so that by adding a fixed plane mirror, the axes of the incident and the falling Bundle of rays.

In einem Beispiel gemäß der Ansprüche 2 und 4 geht die Achse des einfallenden Strahlenbündels durch den Mittelpunkt des durch ϱ1 = 174,4 mm und ϱ2 = 697.4 mm gekennzeichneten Toroidspiegels. Für die Werte mλ = 265,3 nm, 200 nm und 127,9 nm sind die Abstände zwischen den Mittelpunkten der Eintrittsblende und des Toroidspiegels 347.8 mm, 383.7 mm und 410.7 mm und die dazugehörigen Einfallswinkel τ = 63,38°, 62,97° und 62,09°. Die Strahlung fällt konvergent vom Toroidspiegel auf das Reflexionsgitter mit der Gitterkonstanten d = 833,3 nm, wobei sich beim Verdrehen des Gitters dessen Mittelpunkt entlang der raumfesten Achse des ausfallenden Strahlenbündels bewegt, wobei für die drei angegebenen Werte von mλ der Abstand h seines Mittelpunktes von der Achse des einfallenden Strahls die Werte h = 82,64 mm, 60,00 mm und 43,31 mm annimmt und die dazugehörigen Winkel die Werte φ = 37,30°, 36,89° und 36,01° sowie ε = 11,55°, 8,63° und 5,44° haben. Wegen des 8,63° betragenden Blazewinkels des Gitters ist die Blazewellenlänge des Monochromators durch mλb = 200,0 nm gegeben. Für mλ = 200,0 nm sind außerdem die entlang der Bündelachsen gemessenen Abstände zwischen dem Mittelpunkt des Ellipsoid- bzw. Toroidspiegels und den Mittelpunkten der Eintritts- bzw. Austrittsblende exakt gleich, wodurch auch die im Gegensatz zum Gittermittelpunkt ortsfeste Lage der Austrittsblende spezifiziert ist.In an example according to claims 2 and 4, the axis of the incident beam passes through the center of the toroidal mirror characterized by ρ 1 = 174.4 mm and ρ 2 = 697.4 mm. For the values mλ = 265.3 nm, 200 nm and 127.9 nm, the distances between the centers of the entrance aperture and the toroidal mirror are 347.8 mm, 383.7 mm and 410.7 mm and the associated angles of incidence τ = 63.38 °, 62.97 ° and 62.09 °. The radiation falls convergent from the toroidal mirror to the reflection grating with the lattice constant d = 833.3 nm, whereby, as the lattice rotates, its center moves along the solid axis of the outgoing beam, with the distance h of its center from the axis of the incident beam assumes the values h = 82.64 mm, 60.00 mm and 43.31 mm and the associated angles the values φ = 37.30 °, 36.89 ° and 36.01 ° and ε = 11 , 55 °, 8.63 ° and 5.44 °. Because of the 8.63 ° blaze angle of the grating, the blazed wavelength of the monochromator is given by mλ b = 200.0 nm. In addition, for mλ = 200.0 nm, the distances between the center of the ellipsoidal or toroidal mirror measured along the beam axes and the centers of the entrance and exit aperture are exactly the same, which also specifies the position of the exit aperture fixed in contrast to the grid center.

In einem zweiten Beispiel ist der Monochromator gemäß den Ansprüchen 2, 3, 6 und 7 ausgeführt. Die Achsen des einfallenden und des ausfallenden Bündels fallen zusammen, der Toroidspiegel bleibt ortsfest und die allgemeineren Bewegungen des Reflexionsgitters und des Planspiegels werden durch Drehungen um Achsen senkrecht zur Meridionalebene ersetzt, die nicht durch die Mittelpunkte der beiden Elemente gehen. Die Mittelpunkte der Eintrittsblende (2) und der Austrittsblende (3) haben voneinander einem Abstand von 816,4 mm, die Achse des einfallenden Strahlenbündels geht durch den Mittelpunkt des durch ϱ1 = 174,4 mm und ϱ2 = 697.4 mm gekennzeichneten Toroidspiegels (4) und der Abstand des Mittelpunktes dieses Toroidspiegels vom Mittelpunkt der Eintrittsblende (2) ist mit 422.7 mm ebenso unabhängig von der eingestellten Wellenlänge wie der Einfallswinkel τ = 65.64° der Achse des auf ihn treffenden Bündels.In a second example, the monochromator according to claims 2, 3, 6 and 7 is executed. The axes of the incident and outgoing beams coincide, the toroidal mirror remains stationary and the more general movements of the reflection grating and the plane mirror are replaced by rotations about axes perpendicular to the meridional plane which do not pass through the centers of the two elements. The midpoints of the entrance panel ( 2 ) and the exit aperture ( 3 ) have a distance of 816.4 mm, the axis of the incident beam passes through the center of the toroidal mirror characterized by ρ 1 = 174.4 mm and ρ 2 = 697.4 mm ( 4 ) and the distance of the center of this toroidal mirror from the center of the entrance panel ( 2 ) with 422.7 mm is equally independent of the set wavelength as the angle of incidence τ = 65.64 ° of the axis of the beam hitting it.

Die Strahlung fällt vom Toroidspiegel konvergent auf das Reflexionsgitter (5) mit der Gitterkonstanten d = 833,3 nm. Dieses Gitter wird entsprechend der einzustellenden Wellenlänge um eine Achse verdreht, welche durch den Punkt (6) in der Meridionalebene geht und auf dieser Ebene senkrecht steht, wobei die parallel zur Achse des einfallenden Bündels und senkrecht dazu zur Seite des Gitters hin gemessenen Abstände des Punktes (6) von der Eintrittsblende 388,4 mm und 73,7 betragen.The radiation falls from the toroidal mirror convergent to the reflection grating ( 5 ) with the lattice constant d = 833.3 nm. This lattice is rotated according to the wavelength to be set around an axis which is defined by the point ( 6 ) is in the meridional plane and is perpendicular to this plane, with the distances of the point measured parallel to the axis of the incident beam and perpendicular to the side of the grating ( 6 ) from the entrance aperture 388.4 mm and 73.7.

Die Strahlung fällt vom Reflexionsgitter auf den Planspiegel (7), der durch eine an die Drehung des Gitters gekoppelte Rotation um die durch den Punkt (8) in Meridionalebene gehende und senkrecht auf ihr stehende Achse so verdreht wird, daß für jedes eingestellte λ die Achse des von ihm zur Austrittsblende (3) hin reflektierten Strahlenbündels mit der Achse des einfallenden Bündels zusammenfällt und daß die wie oben gemessenen Abstände des Punktes (8) von der Eintrittsblende 408,1 mm und 32,0 mm betragen.The radiation falls from the reflection grating to the plane mirror ( 7 by a rotation coupled to the rotation of the grid around the point ( 8th ) is rotated in the meridional plane and perpendicular to her standing axis is rotated so that for each set λ, the axis of him to the exit aperture ( 3 ) reflected beam coincides with the axis of the incident beam and that the distances of the point measured above ( 8th ) from the entrance panel are 408.1 mm and 32.0 mm.

Für mλ = 150 nm hat der Mittelpunkt des Reflexionsgitters einen Abstand von 43,0 mm von der Achse des einfallenden Bündels. Die Winkel φ und ε nehmen für mλ = 251,1 nm, 150,0 nm und 100,5 nm die Werte φ = 42,56°, 53,14° und 60,24° sowie ε = 11,80°, 8,63° und 6,98° an. Wegen des 8,63° betragenden Blazewinkels des Gitters ist die Blazewellenlänge des Monochromators durch das Produkt mλb = 150,0 nm gegeben. Für mλ = 150,0 nm sind außerdem die entlang der Bündelachsen gemessenen Abstände zwischen dem Mittelpunkt des Toroidspiegels und den Mittelpunkten der Eintritts- bzw. Austrittsblende exakt gleich.For mλ = 150 nm, the center of the reflection grating is at a distance of 43.0 mm from the axis of the incident beam. The angles φ and ε take the values φ = 42.56 °, 53.14 ° and 60.24 ° and ε = 11.80 °, 8 for mλ = 251.1 nm, 150.0 nm and 100.5 nm , 63 ° and 6,98 °. Because of the 8.63 ° blaze angle of the grating, the blast wavelength of the monochromator is given by the product mλ b = 150.0 nm. In addition, for mλ = 150.0 nm, the distances measured between the center of the toroidal mirror and the centers of the entrance and exit aperture along the bundle axes are exactly the same.

Claims (7)

Ein Monochromator für elektromagnetische Strahlung, der für alle Wellenlängen in seinem Bereich die ortsfeste Eintrittsblende stigmatisch auf die ortsfeste Austrittsblende abbildet, wobei er als optisch aktive Elemente ein ebenes Reflexionsgitter mit Blaze, einen Rotationsellipsoidspiegel oder einen den Rotationsellipsoidspiegel optimal annähernden Toroidspiegel sowie alternativ einen zusätzlichen Planspiegel enthält, die auf den Mittelpunkten der optisch aktiven Elemente errichteten Oberflächennormalen ebenso in der Meridionalebene liegen wie die Rotationsachse des Ellipsoidspiegels und die ortsfesten Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbündels, welche die Mittelpunkte der Eintritts- bzw. Austrittsblende enthalten, und die Striche des Reflexionsgitters senkrecht auf dieser Meridionalebene stehen, die stigmatische Abbildung durch die Kompensation des bei nichtparalleler Beleuchtung am Reflexionsgitter entstehenden Astigmatismus mit dem für den Einfallswinkel τ ≠ τ0 = arccos[(ϱ1/ϱ2)1/2] vom Toroidspiegel erzeugten Astigmatismus erreicht wird und dabei ϱ2 > ϱ1 die beiden Radien des Toroidspiegels angeben, die geometrischen Bedingungen, die Gittergleichung sowie die geforderte Astigmatismuskompensation ein System von gekoppelten nichtlinearen Gleichungen ergeben, dessen Lösung die im allgemeinen von der Wellenlänge abhängigen Koordinaten der Mittelpunkte der aktiven optischen Elemente sowie die im allgemeinen ebenfalls wellenlängenabhängigen Winkelkoordinaten der in diesen Mittelpunkten errichteten Oberflächennormalen liefert, die Gittergleichung mλ = 2dcos(φ)sin(ε) lautet und dabei m > 0 für die Beugungsordnung, λ für die Wellenlänge, d für die Gitterkonstante sowie φ ± ε für den Einfalls- bzw. Ausfallswinkel bezüglich der Gitternormalen stehen, der Astigmatismus des Reflexionsgitters durch die Beziehung |r/R| [cos(φ ± ε)/cos(φ ∓ ε]2 gegeben ist, das obere bzw. untere Vorzeichen dabei für konvergente bzw. divergente Beleuchtung des Gitters gilt, |r| der Abstand des virtuellen meridionalen Fokus vom Gittermittelpunkt und R der entsprechende Abstand des reellen meridionalen Fokus ist, der Astigmatismus des Toroidspiegels durch die Gleichungen für die meridionale Abbildung 2/α = 1/gw + 1/bm mit ϱ2 = α2/b und b/α = cosτ sowie für die sagittale Abbildung 2cosτ/ϱ1 = 1/gw + 1/bs beschrieben wird und dabei g Gegenstandsweite bezeichnet und die Bildweiten bm und bs Abstand der meridionalen und sagittalen Bildpunkte auf der Achse des Strahlenbündels vom Mittelpunkt des Toroidspiegels angeben und für ε = Blazewinkel das aus der Gittergleichung errechnete Produkt mλ in den Bereich des Monochromators fällt.A monochromator for electromagnetic radiation, which stigmatically images the stationary entrance aperture for all wavelengths in its range to the stationary exit aperture, wherein it contains as optically active elements a planar reflection grating with blaze, an ellipsoidal mirror or an ellipsoid mirror optimally approximating toroidal mirror and alternatively an additional plane mirror , the surface normals erected on the centers of the optically active elements are also in the meridional plane as the axis of rotation of the ellipsoidal mirror and the stationary axes of the incident and outgoing beams containing the centers of the entrance and exit aperture and the lines of the reflection grating perpendicular to In this meridional plane, the stigmatic image is due to the compensation of the astigmatism arising in the case of non-parallel illumination at the reflection grating with that for the angle of incidence ≠ τ 0 = arccos [(ρ 1 / ρ 2) 1/2] is obtained by the astigmatism generated toroidal mirror, while ρ 2> ρ 1, the two radii of the toroid specify the geometrical conditions, the grating equation as well as the required astigmatism, a system of coupled nonlinear equations whose solution gives the generally wavelength dependent coordinates of the centers of the active optical elements as well as the generally wavelength dependent angular coordinates of the surface normals established at these centers, the grid equation mλ = 2dcos (φ) sin (ε) and where m> 0 for the diffraction order, λ for the wavelength, d for the lattice constant and φ ± ε for the incidence or angle of reflection with respect to the lattice normals, the astigmatism of the reflection lattice is given by the relation | r / R | [cos (φ ± ε) / cos (φ ∓ ε] 2) , the upper or lower sign applies to convergent or divergent illumination of the grating, | r | the distance of the virtual meridional focus from the grating center, and R the corresponding one Distance of the real meridional focus is the astigmatism of the toroidal mirror by the equations for the meridional mapping 2 / α = 1 / g w + 1 / b m with ρ 2 = α 2 / b and b / α = cosτ as well as for the sagittal mapping 2cosτ / ρ 1 = 1 / g w + 1 / b s , where g is the object distance and the image distances b m and b s are the distance of the meridional and sagittal pixels on the axis of the beam from the center of the toroidal mirror and for ε = blaze angle, the product mλ calculated from the grid equation falls within the range of the monochromator. Ein Monochromator nach Anspruch 1; für welchen der Mittelpunkt des Ellipsoid- bzw. Toroidspiegels auf dem Scheitelkreis des Rotationsellipsoids liegt und für welchen die entlang der Bündelachsen gemessenen Abstände zwischen dem Mittelpunkt des Ellipsoid- bzw. Toroidspiegels und den Mittelpunkten der Eintritts- bzw. Austrittsblende näherungsweise gleich sind.A monochromator according to claim 1; for which the center of the ellipsoidal or toroidal mirror lies on the vertex circle of the ellipsoid of revolution and for which the distances measured along the bundle axes between the center of the ellipsoidal or toroidal mirror and the centers of the entrance or exit aperture are approximately equal. Ein Monochromator nach Anspruch 1 und alternativ auch nach Anspruch 2, für welchen die zweckentsprechende Kombination der Drehung um eine senkrecht zur Meridionalebene stehende und den Mittelpunkt des betreffenden aktiven optischen Elements enthaltende Achse mit einer Verschiebung dieses Mittelpunkts in der Meridionalebene für den Wellenlängenbereich des Monochromators näherungsweise ersetzt wird durch eine reine Drehung um eine senkrecht zur Meridionalebene stehende Achse, welche den Mittelpunkt des betreffenden optischen Elements nicht enthält.A monochromator according to claim 1 and alternatively also according to claim 2, for which the appropriate combination of rotation about an axis perpendicular to the meridional plane and containing the center of the active optical element comprises an axis approximately displaced by a shift of that midpoint in the meridional plane for the wavelength range of the monochromator is by a pure rotation about an axis perpendicular to the Meridionalebene axis, which does not contain the center of the optical element in question. Ein Monochromator nach Anspruch 1 und alternativ auch nach den Ansprüchen 2 und 3, der als optisch aktive Elemente nur das Reflexionsgitter und den Rotationsellipsoid- bzw. Toroidspiegel enthält und bei dem die zur Änderung der Wellenlänge erforderlichen Translationen der Mittelpunkte dieser beiden Elemente auf die Achse des einfallenden bzw. ausfallenden Strahlenbündels beschränkt sind.A monochromator according to claim 1 and alternatively also according to claims 2 and 3, containing as optically active elements only the reflection grating and the rotational ellipsoidal or toroidal mirror, and in which the translations of the centers of these two elements required to change the wavelength are on the axis of the incident or falling beam are limited. Ein Monochromator nach Anspruch 4, bei dem zusätzlich ein ortsfester Planspiegel eingeführt wird, dessen Mittelpunkt mit dem Schnittpunkt der nach Anspruch 4 festgelegten Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbündels zusammenfällt und dessen Winkeleinstellung so gewählt wird, daß nach seiner Einführung die Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbündels zusammenfallen.A monochromator according to claim 4, wherein additionally a fixed plane mirror is introduced, the center of which coincides with the intersection of the axes of the incident and outgoing beams defined in claim 4, and whose angular adjustment is chosen so that, after its insertion, the axes of the incident and the collapse of falling beam. Ein Monochromator nach den Ansprüchen 1 und alternativ auch nach den Ansprüchen 2 und 3, bei welchem die Orts- und Winkelkoordinaten des Rotationsellipsoid- bzw. Toroidspiegels wellenlängenunabhängig sind, die entsprechenden Koordinaten des Reflexionsgitters und des dann notwendigen Planspiegels dagegen von der Wellenlänge abhängen. A monochromator according to claims 1 and alternatively also according to claims 2 and 3, in which the spatial and angular coordinates of the ellipsoidal or toroidal mirror are wavelength-independent, the corresponding coordinates of the reflection grating and the plane mirror then necessary depending on the wavelength. Ein Monochromator nach Anspruch 6, bei welchem die Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbündels zusammenfallen. A monochromator according to claim 6, wherein the axes of the incident and outgoing beams coincide.
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US4490041A (en) * 1981-12-02 1984-12-25 Carl-Zeiss-Stiftung, D/B/A Carl Zeiss Device for applying radiation at adjustable angles

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